تويت
نحن نستعمل المعادن كل يوم! كل شخص منا يستعمل منتجات مصنوعة من المعدن كل يوم. الملح الذي نضيفه لطعامنا يتكون من معدن (الهاليت – halite) والأقراص المضادة للحموضة مكونة من معدن (الكالسيت – calcite). نحتاج الكثير من المعادن لصنع شيء بسيط مثل قلم رصاص خشبي. يصنع الرصاص من الجرافيت والطين، وتتكون حزمة النحاس من الزنك والنحاس، أما الطلاء الذي يلونه يحتوي على الأصباغ والحشو المكون من مواد مختلفة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية.
الهاتف المحمول مصنوع من عشرات المعادن المختلفة التي تأتي من مناجم مختلفة حول العالم. السيارة التي نقودها والطريق الذي نسافر فيه والمباني التي نعيش فيها والسماد المستعمل لإنتاج طعامنا، كل هذا من المعادن.
في الولايات المتحدة الأمريكية يُستهلك حوالي 3 مليار طن من السلع المعدنية كل سنة للمحافظة على الحياة الطبيعية ل 300 مليون شخص. أي إن كل فرد يستهلك حوالي 10 طن من المواد المعدنية كل سنة.
ما هي المعادن ؟
على المادة أن تمتلك 5 متطلبات لتتطابق مع تعريف الجيولوجيين لوصف المعادن ، هذه المتطلبات هي:
تستخدم كلمة معدن بطرق مختلفة، التعريف المعطى في الأعلى يعد تعريفًا رسميًا يفضله الجيولوجيون. للكلمة معنى غذائي أيضًا، تستعمل للإشارة إلى العديد من المركبات الكيميائية غير العضوية التي تحتاجها الكائنات الحية لتنمو وتُصلح أنسجتها وتنجز عملية الاستقلاب وتجري باقي وظائف الجسم، يحتاج الجسم البشري إلى العناصر الغذائية المعدنية مثل الحديد والكالسيوم والنحاس والكبريت والفوسفور والمغنيزيوم وغيرها الكثير.
يأتي الاستخدام القديم لهذه الكلمة من نظام لينيوس للتصنيف الأحيائي، إذ يصنف فيه كل شيء إلى ممالك حيوانية ونباتية ومعدنية. تستخدم هذه الكلمة أيضًا بشكل غير متسق في الجيولوجيا؛ في مفهوم التعدين أي شيء يُحصَل عليه من الأرض ويستخدمه الإنسان يعتبر سلعةً معدنيةً أومادةً معدنيةً، من ضمنها الحجر المسحوق -هو منتج مصنوع من الصخور المسحوقة- والجير Lime؛ وهو منتج مصنوع من حجر الكلس Limestone أو الرخام، وكلاهما يتكون من معدن الكالسيت، والفحم، والنفط والغاز وهما موائع عضوية، والصخور مثل الغرانيت -هو مزيج من المعادن- والصخور مثل (حجر السَّبَج – obsidian) الذي لا يمتلك بنيةً ذريةً داخليةً منتظمةً أو شكلًا خارجيًا منتظمًا.
معظم الصخور عبارة عن تجمعات من المعادن، هذه الصخرة من الغرانيت هي مزيج من دقائق المعادن. تحتوي على الأرثوكليز الزهري اللون والكوارتز الحليبي والهورنبليند الأسود اللون والبايوتايت الأسود أيضًا.
السلع المعدنية في الصناعة:
تعد صناعة عمليات البناء أكبر مستهلك للسلع المعدنية، يستعمل الحجر المسحوق في إنشاء الأساسات وقواعد الطرق والخرسانات ومنافذ تصريف المياه. بينما يستخدم الرمل والحصى لإنشاء الخرسانات والأساسات.
يستعمل الطين لصنع الإسمنت وحجر الطوب والقرميد. أما خام الحديد فيستعمل لصنع قضبان التسليح والدعامات الفولاذية والمسامير والأسلاك. ويستعمل الجبس (الجص) لصنع حائط الجبس. بينما يستخدم الحجر المقرنص لصنع التغطية والبلاط وصنع ألواح السلالم وغيرها من الأعمال الهندسية.
تعد استخدامات هذه السلع جزءًا يسيرًا فقط مما يُستعمَل في عمليات البناء.
في الزراعة، تستعمل صخور الفوسفات والبوتاس في صناعة الأسمدة، يستعمل الجير لصنع حمض التحييد المستعمل في علاج التربة، كما تضاف العناصر الغذائية المعدنية لطعام الحيوانات.
تستخدم الصناعة الكيميائية كميات كبيرة من الأملاح والجير ورماد الصودا. تُستعمل كميات كبيرة من الفلزات والطين وحشوات المعادن في الصناعة.
الخصائص الفيزيائية للمعادن:
هناك حوالي 4000 نوع مختلف من المعادن وكل منها لديه مجموعة من الخصائص الفيزيائية المميزة، هذا يشمل اللون والنقش والصلابة والبريق والشفافية والكثافة النوعية والتشققات والكسور والمغناطيسية والذوبان وغيرها الكثير. هذه الخصائص الفيزيائية مهمة جدًا لتشخيص المعادن وتمييزها، لكنها أكثر أهميةً في تحديد الاستخدامات الصناعية المحتملة للمعدن.
بعض الأمثلة عن المعادن :
يعد معدن (الطلق – talc) -الذي يُحوَل إلى مسحوق- مناسبًا جدًا للاستعمال كمسحوق للأقدام؛ لأنه ناعم وزلق لذلك لا يسبب أي حكة أو تشققًا للجلد، ولديه القابلية لامتصاص الرطوبة والزيوت والرائحة، كما يلتصق بالبشرة ليشكل تأثيرًا قابضًا، ومع ذلك يمكن غسله بسهولة. لا يمتلك أي معدن آخر هذه المجموعة من الخصائص التي تجعله مناسبًا لهذا الغرض.
عندما يُسحَق معدن الهاليت إلى حبيبات صغيرة يصبح مناسبًا جدًا لإضافة النكهة للطعام، لديه طعم مالح يجده معظم البشر مرضيًا بالنسبة لهم. ويذوب بسهولة وسرعة؛ ما يسمح للنكهة بالانتشار في الطعام، وهو ناعم لذا في حالة عدم ذوبانه لا يؤذي أسنانك. لا يمتلك أي معدن آخر هذه الصفات الفيزيائية التي تجعله مناسبًا لهذا الغرض.
يعد معدن الذهب مناسبًا جدًا للاستعمال في صناعة الجواهر، يمكن إعادة تشكيله بسهولة لصنع الشكل المطلوب من الجواهر بواسطة الحرفيين، لديه لون أصفر يستمتع به معظم الناس، وبريق مشرق غير قابل للزوال.
تكسبه كثافته النوعية العالية ثقلًا مناسبًا يفضله معظم الناس على المعادن الأخف ثقلًا. يمكن أن تُصنع الجواهر من معادن أخرى لكن هذه الخصائص تجعل الذهب أكثر تفضيلًا. (قد يضيف بعض الناس لهذه الخصائص حقيقة ندرة وقيمة الذهب ما يجعله مناسبًا لصنع الجواهر لكن الندرة ليست خاصيةً والقيمة المادية يحددها العرض والطلب).
أهمية الخصائص الفيزيائية:
المميزات الأساسية للمعادن التي تحدد الخصائص الفيزيائية هي تركيبها وقوة الروابط في بنيتها الذرية الداخلية المنتظمة، فيما يلي بعض الأمثلة:
يمتلك (الجالينا – Galena) أو كبريتيد الرصاص كثافةً نوعيةً أعلى من (خام البوكسيت – bauxite) الذي يمثل هيدروكسيد الألمنيوم، يحصل هذا الاختلاف بسبب تركيبهما؛ فالرصاص أثقل بكثير من الألمنيوم.
يتكون كل من الماس والجرافيت من الكربون النقي، يعد الماس من أكثر المعادن صلابةً بينما الجرافيت أكثرها نعومةً، يحدث هذا الاختلاف بسبب أنواع الروابط التي تربط ذرات الكربون في البنية الداخلية للمعادن، إذ ترتبط كل ذرة كربون في الماس مع أربع ذرات كربون أخرى عبر روابط تساهمية. بينما يمتلك الجرافيت تركيبًا ورقيًا؛ إذ ترتبط الذرات في كل من هذه الأوراق مع بعضها بروابط تساهمية قوية، لكن الروابط بين الأوراق نفسها عبارة عن روابط كهربائية ضعيفة. عندما يخدش الجرافيت تسقط هذه الروابط الضعيفة بسهولة ما يجعله معدنًا رقيقًا.
تعد أحجار (الياقوت الأحمر – Ruby) و(الزفير أو الياقوت الأزرق – Sapphire) الكريمة تدرجات ألوان لمعدن (الكوروندوم – corundum) المكون من أكسيد الألمنيوم. هذه الاختلافات في الألوان تحدث بسبب التركيب، عندما يحوي الكوروندوم مقدارًا ضئيلًا من الكروم يعرض اللون الأحمر للياقوت، أما عند احتوائه على مقدار ضئيل من الحديد أو التيتانيوم فإنه يعرض اللون الأزرق للزفير.
وإذا وجدِت كمية كافية من التيتانيوم خلال فترة التبلور تتشكل بلورات صغيرة من معدن (الروتيل – rutile)، وقد يتشكل ما يعرف بـ (نجمة الياقوت – Star Sapphire) هذا يحدث عندما تصطف بلورات الروتيل الصغيرة بشكل منتظم ضمن التركيب البلوري للكوروندوم لتعطيه بريقًا ناعمًا قد يُنتج نجمة تحاذي المحور البلوري الأساسي.
الهاتف المحمول مصنوع من عشرات المعادن المختلفة التي تأتي من مناجم مختلفة حول العالم. السيارة التي نقودها والطريق الذي نسافر فيه والمباني التي نعيش فيها والسماد المستعمل لإنتاج طعامنا، كل هذا من المعادن.
في الولايات المتحدة الأمريكية يُستهلك حوالي 3 مليار طن من السلع المعدنية كل سنة للمحافظة على الحياة الطبيعية ل 300 مليون شخص. أي إن كل فرد يستهلك حوالي 10 طن من المواد المعدنية كل سنة.
ما هي المعادن ؟
على المادة أن تمتلك 5 متطلبات لتتطابق مع تعريف الجيولوجيين لوصف المعادن ، هذه المتطلبات هي:
- يتكون بشكل طبيعي، وهذا يعني أنه لم يُصنع بواسطة البشر؛ مثلًا الفولاذ ليس معدنًا لأنه سبيكة صنعها البشر.
- غير عضوي، وهذا يعني أنه لم يُنتج من قبل كائن حي فمثلًا يُنتج الخشب واللؤلؤ من كائنات حية لذلك لا يعتبران من المعادن.
- صلب، يعني أنه ليس سائلًا أو غازيًا بدرجات حرارة وضغط قياسيين.
- مكونات كيميائية محددة، تعني أن كل حالات هذا المعدن لها مكون كيميائي يتغير ضمن نطاق محدد، على سبيل المثال يُعرف معدن الهاليت بالملح الصخري عندما يُعدَن ورمزه الكيميائي هو كلوريد الصوديوم NaCl وهو مكون من ذرات متساوية تقريبًا من الكلور والصوديوم.
- التركيب الداخلي المنتظم، يعني أن ذرات المعدن مرتبة بنمط منتظم ومكرر، يظهر تركيب معدن الهاليت في الشكل الموضح في الأسفل، إذ يتكون من نسب متساوية من ذرات الصوديوم والكلور مرتبطة بنمط مكعب.
تستخدم كلمة معدن بطرق مختلفة، التعريف المعطى في الأعلى يعد تعريفًا رسميًا يفضله الجيولوجيون. للكلمة معنى غذائي أيضًا، تستعمل للإشارة إلى العديد من المركبات الكيميائية غير العضوية التي تحتاجها الكائنات الحية لتنمو وتُصلح أنسجتها وتنجز عملية الاستقلاب وتجري باقي وظائف الجسم، يحتاج الجسم البشري إلى العناصر الغذائية المعدنية مثل الحديد والكالسيوم والنحاس والكبريت والفوسفور والمغنيزيوم وغيرها الكثير.
يأتي الاستخدام القديم لهذه الكلمة من نظام لينيوس للتصنيف الأحيائي، إذ يصنف فيه كل شيء إلى ممالك حيوانية ونباتية ومعدنية. تستخدم هذه الكلمة أيضًا بشكل غير متسق في الجيولوجيا؛ في مفهوم التعدين أي شيء يُحصَل عليه من الأرض ويستخدمه الإنسان يعتبر سلعةً معدنيةً أومادةً معدنيةً، من ضمنها الحجر المسحوق -هو منتج مصنوع من الصخور المسحوقة- والجير Lime؛ وهو منتج مصنوع من حجر الكلس Limestone أو الرخام، وكلاهما يتكون من معدن الكالسيت، والفحم، والنفط والغاز وهما موائع عضوية، والصخور مثل الغرانيت -هو مزيج من المعادن- والصخور مثل (حجر السَّبَج – obsidian) الذي لا يمتلك بنيةً ذريةً داخليةً منتظمةً أو شكلًا خارجيًا منتظمًا.
معظم الصخور عبارة عن تجمعات من المعادن، هذه الصخرة من الغرانيت هي مزيج من دقائق المعادن. تحتوي على الأرثوكليز الزهري اللون والكوارتز الحليبي والهورنبليند الأسود اللون والبايوتايت الأسود أيضًا.
السلع المعدنية في الصناعة:
تعد صناعة عمليات البناء أكبر مستهلك للسلع المعدنية، يستعمل الحجر المسحوق في إنشاء الأساسات وقواعد الطرق والخرسانات ومنافذ تصريف المياه. بينما يستخدم الرمل والحصى لإنشاء الخرسانات والأساسات.
يستعمل الطين لصنع الإسمنت وحجر الطوب والقرميد. أما خام الحديد فيستعمل لصنع قضبان التسليح والدعامات الفولاذية والمسامير والأسلاك. ويستعمل الجبس (الجص) لصنع حائط الجبس. بينما يستخدم الحجر المقرنص لصنع التغطية والبلاط وصنع ألواح السلالم وغيرها من الأعمال الهندسية.
تعد استخدامات هذه السلع جزءًا يسيرًا فقط مما يُستعمَل في عمليات البناء.
في الزراعة، تستعمل صخور الفوسفات والبوتاس في صناعة الأسمدة، يستعمل الجير لصنع حمض التحييد المستعمل في علاج التربة، كما تضاف العناصر الغذائية المعدنية لطعام الحيوانات.
تستخدم الصناعة الكيميائية كميات كبيرة من الأملاح والجير ورماد الصودا. تُستعمل كميات كبيرة من الفلزات والطين وحشوات المعادن في الصناعة.
الخصائص الفيزيائية للمعادن:
هناك حوالي 4000 نوع مختلف من المعادن وكل منها لديه مجموعة من الخصائص الفيزيائية المميزة، هذا يشمل اللون والنقش والصلابة والبريق والشفافية والكثافة النوعية والتشققات والكسور والمغناطيسية والذوبان وغيرها الكثير. هذه الخصائص الفيزيائية مهمة جدًا لتشخيص المعادن وتمييزها، لكنها أكثر أهميةً في تحديد الاستخدامات الصناعية المحتملة للمعدن.
بعض الأمثلة عن المعادن :
يعد معدن (الطلق – talc) -الذي يُحوَل إلى مسحوق- مناسبًا جدًا للاستعمال كمسحوق للأقدام؛ لأنه ناعم وزلق لذلك لا يسبب أي حكة أو تشققًا للجلد، ولديه القابلية لامتصاص الرطوبة والزيوت والرائحة، كما يلتصق بالبشرة ليشكل تأثيرًا قابضًا، ومع ذلك يمكن غسله بسهولة. لا يمتلك أي معدن آخر هذه المجموعة من الخصائص التي تجعله مناسبًا لهذا الغرض.
عندما يُسحَق معدن الهاليت إلى حبيبات صغيرة يصبح مناسبًا جدًا لإضافة النكهة للطعام، لديه طعم مالح يجده معظم البشر مرضيًا بالنسبة لهم. ويذوب بسهولة وسرعة؛ ما يسمح للنكهة بالانتشار في الطعام، وهو ناعم لذا في حالة عدم ذوبانه لا يؤذي أسنانك. لا يمتلك أي معدن آخر هذه الصفات الفيزيائية التي تجعله مناسبًا لهذا الغرض.
يعد معدن الذهب مناسبًا جدًا للاستعمال في صناعة الجواهر، يمكن إعادة تشكيله بسهولة لصنع الشكل المطلوب من الجواهر بواسطة الحرفيين، لديه لون أصفر يستمتع به معظم الناس، وبريق مشرق غير قابل للزوال.
تكسبه كثافته النوعية العالية ثقلًا مناسبًا يفضله معظم الناس على المعادن الأخف ثقلًا. يمكن أن تُصنع الجواهر من معادن أخرى لكن هذه الخصائص تجعل الذهب أكثر تفضيلًا. (قد يضيف بعض الناس لهذه الخصائص حقيقة ندرة وقيمة الذهب ما يجعله مناسبًا لصنع الجواهر لكن الندرة ليست خاصيةً والقيمة المادية يحددها العرض والطلب).
أهمية الخصائص الفيزيائية:
المميزات الأساسية للمعادن التي تحدد الخصائص الفيزيائية هي تركيبها وقوة الروابط في بنيتها الذرية الداخلية المنتظمة، فيما يلي بعض الأمثلة:
يمتلك (الجالينا – Galena) أو كبريتيد الرصاص كثافةً نوعيةً أعلى من (خام البوكسيت – bauxite) الذي يمثل هيدروكسيد الألمنيوم، يحصل هذا الاختلاف بسبب تركيبهما؛ فالرصاص أثقل بكثير من الألمنيوم.
يتكون كل من الماس والجرافيت من الكربون النقي، يعد الماس من أكثر المعادن صلابةً بينما الجرافيت أكثرها نعومةً، يحدث هذا الاختلاف بسبب أنواع الروابط التي تربط ذرات الكربون في البنية الداخلية للمعادن، إذ ترتبط كل ذرة كربون في الماس مع أربع ذرات كربون أخرى عبر روابط تساهمية. بينما يمتلك الجرافيت تركيبًا ورقيًا؛ إذ ترتبط الذرات في كل من هذه الأوراق مع بعضها بروابط تساهمية قوية، لكن الروابط بين الأوراق نفسها عبارة عن روابط كهربائية ضعيفة. عندما يخدش الجرافيت تسقط هذه الروابط الضعيفة بسهولة ما يجعله معدنًا رقيقًا.
تعد أحجار (الياقوت الأحمر – Ruby) و(الزفير أو الياقوت الأزرق – Sapphire) الكريمة تدرجات ألوان لمعدن (الكوروندوم – corundum) المكون من أكسيد الألمنيوم. هذه الاختلافات في الألوان تحدث بسبب التركيب، عندما يحوي الكوروندوم مقدارًا ضئيلًا من الكروم يعرض اللون الأحمر للياقوت، أما عند احتوائه على مقدار ضئيل من الحديد أو التيتانيوم فإنه يعرض اللون الأزرق للزفير.
وإذا وجدِت كمية كافية من التيتانيوم خلال فترة التبلور تتشكل بلورات صغيرة من معدن (الروتيل – rutile)، وقد يتشكل ما يعرف بـ (نجمة الياقوت – Star Sapphire) هذا يحدث عندما تصطف بلورات الروتيل الصغيرة بشكل منتظم ضمن التركيب البلوري للكوروندوم لتعطيه بريقًا ناعمًا قد يُنتج نجمة تحاذي المحور البلوري الأساسي.